[发明专利]一种环形激光冲击动态拉伸试验方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及材料动态拉伸力学性能试验技术领域，特别是一种可实现激光冲击波加载动态条件下高应变率拉伸试验的方法与装置。

背景技术

在各类工程技术、军事技术和科学研究等广泛领域的一系列实际问题中，甚至就在日常生活中，人们都会遇到各种各样的爆炸、冲击载荷问题，并且可以观察到，物体在爆炸、冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下的有显著不同，了解材料在冲击加载条件下的力学响应必将大大有助于这些材料的工程应用和工程设计。此外，数值模拟已在工程设计中发挥着重要作用，而进行数值模拟的前提是必须首先建立一个基于材料在各种应变率下（尤其是在动态应变率下）的精确应力－应变曲线基础上的本构模型。所以，获得一套材料在高应变率下的应力—应变曲线则成为首要任务。尽管人们已经研制了多种动态实验技术，但是研制一种方便、高效的、精确的高应变率实验装置是非常重要的。

关于材料的动态性能测试方法有Hopkinson杆、分段式Hopkinson杆等，这些方法都是采用传统的物块撞击、子弹或炸药爆炸产生冲击波加载，应用Hopkinson杆原理，使材料产生间接的高应变速率动态拉伸作用。其方法使材料产生应变速率相对较低，是间接拉伸，且加载方法过程复杂，影响因素多，计算复杂，试验费用很高。

基于此，本专利首次提出采用激光高压、高能、超快、超高应变率的方式对靶材进行冲击加载，以此测量高应变率下的材料动态力学性能参数。

发明内容

本发明的目的是能克服上述缺点，提供一种经济、简便、直接的动态拉伸试验方法与装置，以获得不同应变速率及高应变速率下材料的应力应变关系。

本发明的技术方案之一：

一种环形激光冲击拉伸试验装置包括高功率脉冲激光器，45°全反镜E，光斑调节装置，轮辐式支架，定距支撑，夹具A，夹具B，靶材，光学玻璃片，导轨A，导轨B，吸收层，触发器，步进电机，计算机，激光电源，应力传感器，光学引伸仪，辅助位移传感器；所述的高功率脉冲激光器包括：全反镜，KD*P晶体，偏振器，孔径光阑，YAG晶体A，YAG晶体B，YAG晶体C，YAG晶体D，YAG晶体E，YAG晶体F，输出镜，隔离器，扩束镜A，扩束镜B，扩束镜C，45°全反镜A，45°全反镜B，45°全反镜C，45°全反镜D，45°半透半反镜，中继望远系统A，中继望远系统B，光束合并器；所述光斑调节装置包括：扩束镜D，会聚透镜，圆锥透镜A，圆锥透镜B；高功率脉冲激光器出光前方设有45°全反镜E，45°全反镜E下方设有光斑调节装置，光斑调节装置位于轮辐式支架上方，靶材设于导轨A上、沿导轨A上下移动，靶材激光照射面依次贴有吸收层和光学玻璃片，轮辐式支架和靶材通过定距支撑，定距支撑调节轮辐式支架和靶材之间的距离，轮辐式支架和靶材中间设有中心孔，轮辐式支架中心孔处设有夹具A，靶材中心孔处设有夹具B，试件通过夹具A和夹具B固定，在轮辐式支架上设有应力传感器，在试件旁设有光学引伸仪。

本发明采用高功率环形脉冲激光将试件包容在激光束中空部分，环形脉冲激光空心穿过试件，环形脉冲激光到达靶材冲击区域被吸收层吸收产生等离子体，等离子体爆炸产生的冲击波冲击靶材，使安装在靶材和轮辐式支架间的试件获得直接的瞬间拉力，完成试件的冲击动态拉伸试验。

环形激光冲击动态拉伸试验方法的具体步骤为：

（1）根据试验要求制作试件；

（2）靶材的激光照射面依次贴上吸收层和光学玻璃片；

（3）将试件两端分别固定在轮辐式支架和靶材上，定距支撑安装于轮辐式支架与靶材之间，应力传感器安装于轮辐式支架上，光学引伸仪安装在试件侧旁，辅助位移传感器安装于靶材下方；

（4）调节高功率脉冲激光器参数（激光能量，激光脉宽），使参数满足试验要求；

（5）通过光斑调节装置调节所输出的环形脉冲激光的环形光斑内径和环形光斑外径，使环形脉冲激光穿过轮辐式支架，将夹具A和试件包容在环形脉冲激光环形部分，环形脉冲激光到达靶材冲击区域被吸收层吸收产生等离子体，等离子体爆炸产生的冲击波冲击靶材，使安装在靶材和轮辐式支架间的试件获得瞬间拉力，试件在高应变速率下产生拉伸变形并拉断；

（6）计算机记录和处理应力传感器、光学引伸仪和辅助位移传感器测得的试件在冲击载荷作用下各传感器处的应力和位移信号；

（7）根据计算结果绘制激光冲击高应变率条件下试件的动态应力应变关系曲线。

本发明的技术方案之二：